水平成層土質邊坡破壞機理研究

黃小龍，王志斌，姚 亮，胡錫鵬

（湖南科技大學 土木工程學院，湖南 湘潭 411201）

水平成層土質邊坡破壞機理研究

黃小龍，王志斌，姚 亮，胡錫鵬

（湖南科技大學 土木工程學院，湖南 湘潭 411201）

針對水平成層土質邊坡的成層特性，建立室內模型試驗模擬其承載特性以及破壞機理，運用FLAC3D數值模擬技術與室內模型試驗相互驗證分析，得到了層狀邊坡在坡頂加載情況下的荷載-位移規律、極限承載力、滑動面形態和位置。研究結果表明，極限承載力隨分層厚度的增大而增大，而邊坡高度對極限承載力的影響甚微。再運用FLAC3D數值模擬技術進行拓展分析，利用成層土坡與均質土坡破壞機理的聯系得到了成層土坡剪出高度與加載寬度以及坡比的關系，同時得到了水平成層土坡不同破壞模式的臨界坡比，所得結果對實際工程具有一定的參考意義。

巖土工程；水平成層土質邊坡；破壞機理；極限承載力；剪出高度

0 引言

隨著國民經濟的飛速發展，我國的土木工程建設也隨之高速發展，如鐵路、高速公路、水電水利設施、民用建筑的建設方興未艾。伴隨著工程的建設，各種開挖和堆填的邊坡越來越多，高度與復雜性越來越大。例如北京至福州高速公路中福建段200多公里內高度大于40 m的邊坡有180多處；寶成鐵路中陜西省寶雞到四川省綿陽區段，大部分地區為深山峽谷，山坡陡立，河道蜿蜒，自然斜坡一般均接近其臨界坡度，穩定性都較差，據統計，僅這段鐵路中開挖的邊坡數量達293處，累計長度有79.7 km。

在實際工程建設中，水平成層邊坡是一種常見的工程現象[1-2]，例如填方路堤邊坡[3]、全風化沉積巖邊坡[4]等，所涉及的邊坡幾近于水平成層。為了研究該類特殊邊坡的破壞模式及其工作性狀[5-6]，本課題組采用室內試驗的方法進行模擬試驗，通過數值模擬分析與室內模型相互驗證，對水平層狀土質邊坡進行拓展研究。

1 室內模型試驗

采用室內小型模型箱模擬水平層狀土質邊坡在外荷載作用下的工作性狀、承載特性以及破壞機理。模型箱尺寸為220 cm×167 cm×220 cm。試驗過程主要包括：模型制作、模型加載、模型開挖。

1.1 試驗方案設計

根據試驗目的以及試驗的可行性與有效性，結合實驗室現有條件和設備，將本次試驗分為5個方案，坡比均為1:1，坡面無約束，模型箱底面、左右側面、后擋板均采用大剛度鋼板焊接，視作無變形體。各方案模型尺寸如表1所示，圖1是以A-1方案為例的模型填筑示意圖（虛線部分表示軟弱土層）。

表1 試驗模型幾何尺寸Table 1 Geometric dimension of experimental models

圖1 A-1試驗方案示意圖Fig. 1 A-1 test program schematic

1.2 試驗過程

在模型試驗之前，首先對試驗所用的填筑土體以及層間材料進行室內常規土工試驗，主要包括：含水率試驗、土粒比重試驗、液塑限試驗、擊實試驗、三軸壓縮試驗，以及在后期模型破壞試驗中的壓實度檢測試驗、快剪試驗和固結試驗。試驗得到的填土及層間土基本參數如表2所示。由于模型填筑過程中存在水分蒸發，按高于擊實試驗[7]所確定的最佳含水率（20.2%）1%～2%的含水率對土樣進行拌合。將拌合好的土樣按照各方案設計尺寸進行分層填筑，按照90.2%的壓實度對土體進行壓實，利用模版形成坡面。在模型填筑壓實完畢后，對坡面進行平整度測試，測試結果滿足要求后開始安裝加載裝置以及測量裝置。采用20 t千斤頂和模型箱上部反力梁來施加荷載，采用20 t壓力傳感器來控制加載力的大小，采用量程為50 mm的百分表測量坡頂沉降和坡面位移。圖2為A-1方案百分表布置圖，其余方案類似。

表2 土樣物理力學參數Table 2 Physical and mechanics parameters of soil samples

圖2 方案A-1百分表布置圖Fig. 2 Layout of dial indicator for scheme A-1

在模型填筑完畢，測量裝置安裝就位之后，將模型靜置2 d，使模型內部土體達到初始應力平衡，并且記錄初始平衡狀態的儀器讀數作為初始值；接下來開始加載，初期加載等級[8]為5 kN（約33 kPa），破壞期為1 kN（約7 kPa）。當邊坡開始出現比較明顯的裂縫時，降低加載等級，加大觀測頻率。至無法施加更大荷載時停止加載。待模型破壞之后，拆除加載及測量裝置，將模型對半開挖，觀察其破壞面，并且拍照記錄。加載裝置和測試設備安裝如圖3所示。

圖3 模型試驗加載裝置和測試設備Fig. 3 Loading equipment and testing equipment for model experiments

2 試驗結果分析

模型試驗完成之后，將各試驗方案得到的位移、沉降數據整理得到荷載-位移曲線，用計算機對破壞面進行擬合。

2.1 荷載-坡頂沉降

圖4為5組試驗坡頂沉降隨荷載變化的曲線。由圖可以看出，5組曲線變化趨勢基本相同，在施加荷載的過程中，以2個界限荷載將邊坡位移特征區分為3個階段，即壓密變形階段、局部剪切階段和整體破壞階段。通過對比5組方案的位移-荷載曲線發現，土層厚度越大，邊坡極限承載力越高，反之則承載力越低；而在坡率、加載方式及分層厚度相同的情況下，邊坡高度對極限承載力的影響不明顯。

圖 4 各試驗方案頂面荷載-坡頂沉降變化曲線Fig. 4 The variation curves of top load-top settlement for all experiment schemes

2.2 荷載-坡面位移

圖5為方案A-1各百分表荷載-位移變化曲線，其中圖5a為坡面沉降與施加荷載的關系曲線， 圖中2#, 3#, 4#百分表距坡頂的高度分別為20, 40, 60 cm；圖5b為坡面水平位移與荷載的關系曲線，圖中6#, 7#, 8#, 9#百分表距坡頂的高度分別為20, 40, 60, 80 cm。

由圖5a可知，2#百分表坡面沉降隨荷載的增加而呈負增長趨勢，3#百分表曲線基本保持水平，4#百分表沉降值隨荷載增加有增大的趨勢，可見當邊坡破壞時，局部破壞主要發生在距離坡頂0～40 cm范圍內。

由圖5b可知，4條曲線變化趨勢基本相同，只是變化幅值相差較大，其中7#百分表變化幅度最大，6#, 8#, 9#百分表幅度依次減小，7#百分表位置恰好處于滑動面剪出位置。

圖5 方案A-1荷載-位移變化曲線Fig. 5 The variation curve of load-displacement for scheme A-1

2.3 破壞面形態與位置

將破壞后的模型對半開挖，結合對試驗過程以及試驗數據的觀察與分析，滑動面首先在坡頂加載板后緣附近出現，隨著荷載的增大，滑動面逐漸以圓弧的形式向邊坡內部延伸，延伸至分層面位置時，開始沿分層面滑動，直至從坡面剪出，邊坡發生局部破壞?；瑒用嬲w形態為圓弧滑動面與直線段的組合型滑動面。以A-1試驗方案為例，滑動面整體形態如圖6所示。

圖6 方案A-1模型滑動面圖Fig. 6 Model sliding surface of A-1 scheme

通過對比分析5組方案的滑動面，發現在坡比一定時，邊坡剪出高度（剪出面距坡頂的距離）主要與坡頂加載的方式（如加載梁的剛度、寬度、位置）以及邊坡分層厚度相關。A-3模型盡管剪出位置高于其它模型，但其滑動面的圓弧曲面曲率更大，平面段更長。幾組模型剪出位置如表3所示。

表3 各試驗方案滑動面剪出位置Table 3 The shear positions of sliding surface for each scheme

3 數值模擬分析

3.1 概述

FLAC3D基本原理是采用有限差分中的拉格朗日連續介質法。對于高邊坡失穩而言，該方法能夠跟蹤高邊坡中任一點的歷史，分析影響高邊坡失穩的主導因素。利用FLAC3D解決實際問題，主要有模型建立與計算求解2個步驟。模型建立主要包括：設計模型尺寸、劃分網格、設定材料參數、設置邊界條件等。計算主要采用強度折減法，以滑體由靜止狀態變為運動狀態以及產生較大塑性變形且變形值不為定值作為邊坡失穩判據。

本文在采用FLAC3D中的強度折減法求解時，將巖土體假設為理想的彈塑性材料，本構模型采用Mohr -Coulomb準則，土樣物理力學參數如表2所示。3.2 加載寬度對剪出位置的影響

圖7為A-1方案以及均質土坡剪出位置與加載寬度的關系。

圖7 層狀邊坡剪出位置與加載寬度的關系Fig.7 Relationship of load width and cut-out position of layered slope

由圖7中層厚為20 cm時的曲線可知，對于水平成層土質邊坡，其滑動面與坡面交點距離坡頂的距離與加載寬度的關系曲線主要呈階梯型上升趨勢。

由室內模型試驗以及數值模擬分析可知，水平成層在坡比為1:1時，其破壞方式為圓弧+直線型破壞，其剪出位置與均質土坡剪出位置存在聯系。當均質土坡與水平成層邊坡具有相同幾何形態及相同土力學性質時（軟弱夾層除外），假設作用于2種邊坡坡頂的均布荷載寬度相同。運用前面得到的均質土坡剪出位置與加載寬度之間的關系曲線，可以得到均質土坡的剪出位置。將均質土坡的滑動面與坡面交點位置映射至水平成層邊坡坡面上，當該點恰好位于軟弱夾層位置時，剪出位置為該點位置；當該點位于2個軟弱夾層之間的坡面上時，如果該點距上層軟弱夾層距離小于距下層軟弱夾層距離，則滑動面沿上層軟弱夾層剪出，反之則沿下層軟弱夾層剪出。

根據上述關系結合均質土坡滑出位置與加載寬度關系的擬合方程，對水平成層土坡滑動面和坡面的交點距坡頂的垂直距離與加載寬度之間關系的方程為

式中：y為滑動面與坡面交點距坡頂的垂直距離；

H為均質土坡在坡頂加載寬度為x時的剪出高度， ；

h為成層土坡分層厚度；

n為H/h的最大整數解。

3.3 不同坡比對滑出位置的影響

由室內模型試驗以及數值模擬分析可知，在保持加載范圍不變，層厚不變的情況下，不同的坡比對滑出位置的影響較明顯。方案A-1剪出高度跟坡比的關系如圖8所示；坡比為2:1和2:3時，剪出高度與加載寬度的關系對比曲線如圖9所示。

圖8 剪出高度與坡比的關系Fig. 8 The relationship of slope ratio and cut height

圖9 不同坡比下剪出高度與加載寬度的關系對比Fig. 9 The relationship of height cut and load width for different slope ratios

由圖8可知，當坡比小于1.4時，滑動面均從第二個夾層剪出（即距坡頂40 cm處），當坡比大于1.4時，滑動面則沿兩軟弱夾層之間的均質土層剪出。通過圖9對比坡比為2:1和2:3的層狀邊坡在不同加載寬度作用下滑出位置的曲線，結合上述分析可知，當層狀邊坡坡比越大時（邊坡越陡峭），水平層狀邊坡的剪出高度與加載寬度的“階梯式”關系越不明顯，其破壞面受軟弱夾層的影響越小，其破壞機理與均質土坡破壞機理較相似（如圖10）。當坡比越小（邊坡越平緩），水平層狀邊坡的破壞面受軟弱夾層的影響越大，甚至同時沿2條軟弱夾層滑出破壞（如圖11）。通過多組室內模型試驗以及數值模擬分析可知，層狀邊坡在改變坡比時，同樣具有一個“臨界坡比”，使得當邊坡坡比大于該“臨界坡比”時，水平成層邊坡具有與均質土坡相同的破壞模式；反之則以層狀邊坡的破壞機理破壞。而該“臨界坡比”大多在1.3～1.5范圍內。

圖10 坡比為2:1時剪應變增量云圖Fig. 10 Cloud chart of shear strain increment for slope ratio of 2:1

圖11 坡比為1:2時剪應變增量云圖Fig. 11 Cloud chart of shear strain increment for slope ratio of 1:2

4 結論

1）在坡頂逐級加載的情況下，水平成層土質邊坡的滑動面，首先出露于坡頂加載板后緣；再以圓弧的形式向邊坡內部延伸，延伸至分層面時沿分層面向坡外發展，最終從坡面剪出；最終滑動面形式為圓弧+直線型。

2）在坡頂相同的條形荷載作用下，水平成層土質邊坡分層厚度越大，其極限承載力越高；反之，極限承載力越低。在坡比、加載方式及分層厚度相同的情況下，坡體高度對極限承載力的影響不明顯。

3）水平成層土質邊坡剪出高度隨坡頂加載范圍的增大呈階梯形增長趨勢，且與相同條件下的均質土坡的剪出高度存在緊密聯系。

4）水平成層土質邊坡具有“臨界坡比”，當坡比大于“臨界坡比”時，滑動面呈圓弧型；反之則為圓弧+直線型。

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（責任編輯：鄧光輝）

Mechanism of Horizontal Layered Soil Slope Failure

Huang Xiaolong，Wang Zhibin，Yao Liang，Hu Xipeng
（School of Civil Engineering，Hunan University of Science and Technology，Xiangtan Hunan 411201，China）

For horizontal layered soil slope into a layer characteristics, establishes model tests to simulate the bearing characteristics and failure mechanism. By means of the mutual verification analysis of FLAC3Dnumerical simulation and indoor model tests, gets load - displacement law, ultimate bearing capacity and the sliding surface shape and position under the top loading of layered slope. The results show that the ultimate bearing capacity increases with the layer thickness increment, and the influence of slope height to the ultimate bearing capacity is minimal. Applies FLAC3Dfor expand analysis and uses the contact of failure mechanism between layered slope and homogeneous slope to obtain the relationship between layered slope cut height with load width and slope ratio, meanwhile obtains the critical slope ratio in different failure modes. The results have certain reference significance to the actual project.

geotechnical engineering；horizontal layered soil slope；failure mechanism；ultimate bearing capacity；cut height

TU449

A

1673-9833(2015)02-0026-05

10.3969/j.issn.1673-9833.2015.02.005

2015-01-11

國家自然科學基金資助項目（51208523）

黃小龍（1990-），男，湖南湘潭人，湖南科技大學碩士生，主要研究方向為巖土與地下工程，E-mail：283854103@qq.com